陶瓷加工与烧结

陶瓷加工与烧结是将粉末转化为致密部件的途径：通过对粉末压坯进行成型，然后加热使其颗粒结合、孔隙收缩，从而将脆弱的生坯转变为坚固的陶瓷。

Definition

陶瓷加工是用于制造陶瓷部件的粉末制备、成型和烧成的序列过程；烧结是热处理步骤，在此过程中，压坯中的颗粒通过扩散结合，孔隙率降低，使坯体致密化，而无需完全熔化。

Scope

本主题涵盖了从粉末制造陶瓷部件的化学和物理过程：粉末制备与表征、压制成型、注浆成型和流延成型等成型方法、粘合剂和添加剂的作用，尤其是烧结——即烧成过程中扩散驱动的致密化。它探讨了烧结的驱动力与机制、晶粒生长与微观结构发展，以及液相烧结和压力辅助烧结等辅助方法。

Core questions

• 陶瓷粉末是如何成型为生坯的？
• 烧结过程中致密化的驱动力是什么？
• 哪些扩散机制控制着烧结和晶粒生长？
• 液相烧结和压力辅助烧结如何增强致密化？

Key concepts

• 生坯与压实
• 注浆成型与流延成型
• 表面能驱动力
• 扩散与颈部形成
• 晶粒生长
• 液相烧结与压力辅助烧结

Key theories

表面能降低驱动的烧结

烧结的驱动力是当颗粒表面被晶界取代时，总表面能和界面能的降低；通过扩散进行的物质传输在颗粒之间形成颈部并消除孔隙，使坯体在低于熔点的情况下致密化。

致密化与晶粒生长

烧结必须平衡孔隙去除与晶粒粗化；如果晶粒生长过快，它们会困住孔隙，因此需要使用添加剂和受控的烧成程序来促进致密化，同时抑制晶粒生长并获得所需的微观结构。

Mechanisms

在烧结过程中，原子通过表面扩散、晶界扩散和晶格扩散，从高化学势区域向颗粒间的颈部移动，从而形成键合并收缩孔隙；晶界扩散和孔隙-晶界附着决定了在晶粒粗化时孔隙是被消除还是被困住。

Clinical relevance

加工和烧结决定了陶瓷是否能达到其应用所需的密度、强度和微观结构；对这些步骤的控制对于可靠的结构陶瓷、致密的电介质电容器和电解质，以及残余孔隙会散射光的透明陶瓷至关重要。

History

定量的烧结理论在20世纪中叶发展起来，当时Kingery、Coble等人确定了颈部生长和致密化的扩散机制，并表明表面能降低是驱动力。Coble对全致密透明氧化铝的演示，例证了现代陶瓷加工在晶粒生长和孔隙去除方面所能达到的控制水平。

Key figures

• W. David Kingery
• Robert L. Coble

Seminal works

• rahaman2003
• kingery1976

Frequently asked questions

为什么烧结不需要熔化陶瓷？

烧结依赖于由表面能降低驱动的固态扩散。原子在远低于熔点的温度下迁移到颗粒间的接触点和孔隙中，因此坯体在保持固态的同时致密化并结合。

为什么晶粒生长在致密化过程中是一个问题？

随着晶粒粗化，晶界移动并可能与孔隙分离，使孔隙被困在晶粒内部，非常难以去除。控制晶粒生长可以使孔隙保留在晶界上，在那里扩散仍然可以消除它们，从而实现完全致密化。